CC BY
38
© О. Я. Мокрик, В. О. Заплатинський*
УДК 612. 821. 2:612. 67+616. 893-053. 8 О. Я. Мокрик, В. О. Заплатинський*
Р03Р0БКА ЕКСПРЕС-МЕТОДУ Д1АГНОСТИКИ БОЛЬОВОГРЕАКЦП
ЛЮДИНИ
Льв1вський нацюнальний медичний ушверситет ¡м. Д. Галицького (м. Льв1в)
*Нацюнальний унiверситет «Льв1вська пол1техшка» (м. Львт)
Наукове досл1дження е фрагментом комплексно! науково! теми кафедри х1рург1чно! стоматологи та щелепно-лицево! х1рург11 Льв1вського нацюнально-го медичного уыверситету ¡м. Д. Галицького «Опти-м1зац1я дiагностично-лiкувального процесу хворих ¡з юстковими i м'якотканинними дефектами та де-формацiями рiзно! етюлоги, травматичними i за-пальними ураженнями щелепно-лицево! дтянки», № державно! реестрацп 01061112671. Шифр роботи: IH10.01.001.10.
Вступ. Дослщження реакцiй людського оргаыз-му на бiль е складною, ще не повнютю вирiшеною проблемою. На сьогодышнм день, в умовах клЫки переважно застосовують суб'eктивнi методи оцшки болю, якi за своею природою е вербально - знакови-ми: вiзуально - аналогова, вiзуально-рангова, вербально - рангова шкали та iншi [1]. Однак, пащенти можуть по-рiзному оцiнювати сво! вщчуття, що ви-никають при появi больового синдрому. Це в значнм мiрi залежить вiд !х психоемоцмного стану [4, 7]. При стреЫ, що нерiдко супроводжуеться пригычен-ням, тривогою, страхом, депреЫею хворi неадекватно оцшюють бiль - оды можуть занижувати його вплив, ¡ним - схильнi гiперболiзувати. Це ускладнюе реальну оцiнку iнтенсивностi болю, тому значна увага придтяеться розробцi об'ективних методiв його дiагностики - алгометричним, як враховують !! компоненти: сенсорний, вегетативний, руховий, психоемоцмний. 1нформативним методом вивчен-ня вегетативно! реакцi! людини е пупiлометрiя - дiа-гностика розмiрiв зiницi ока [5, 8]. Як вщомо, пщви-щення активной симпатично! iннервацi! викликае розширення зшиць, тодi як !х звуження свщчить про пiдвищення тонусу парасимпатично!. Психоемоцм-на напруга, страх, больовi подразники викликають розширення зiницi (симптом Парро-Робертсона) [9]. Як об'ект вивчення нами був вибраний зшичний рефлекс, як найбтьш доступний об'ект, «вiдкритий» для прямого нешвазивного дослiдження стану центрально! нервово! системи (ЦНС). Реак^я зiниць на больовий подразник е безумовним рефлексом, не-пiдцатливим контролю з боку кори головного мозку, а значить, i свiдомостi. В той же час це ункальний i чутливий iндикатор широкого спектру фiзiологiчних процесiв, залежних вiд стану симпато-парасимпа-тичного балансу. Перевагою пуптометрп, на вщмшу
вiд бiльшостi традицмних методiв, е не тiльки реалГ зацiя об'ективно! i кiлькiсно! оцЫки функцiонально-го стану вегетативно! нервово! системи (ВНС), а й можливiсть скринiнгового дослiдження психофiзiо-логiчного стану хворих. Реалiзацiя цього методу до-слiдження з використанням адекватних пiдходiв до кiлькiсно! оцшки функцюнального стану ВНС шляхом реестрацп окулодинамiчних параметрiв, без-умовно, е актуальною, бо спрямована на виршення важливого завдання клiнiчно! медицини - оцшку ¡н-дивiдуальних особливостей регуляторних процесiв органiзму людини в умовах больового стресу.
Мета дослщження. Розробити об'ективний експрес-метод дiагностики больово! реакцi! людини шляхом реeстрацi! зшичного рефлексу за допомо-гою комп'ютерно-програмного забезпечення.
Об'ект I методи досл1дження. Для отримання вiдеопотоку ¡з зображенням ока в умовах реального часу використано загальнодоступний електронний портативний мiкроскоп Б1де1а 0ат-01 (Тайвань), який пiдключаeться до ноутбука через иЭВ ¡нтер-фейс. Вщеоряд, який надаеться електронним мГ кроскопом, складаеться з послiдовностi кадрiв ¡з зображенням ока. Кадри надходять ¡з частотою 20 кадрiв/c, що дозволяе вимiрювати дiаметр зiницi кожних 500 мс. Для визначення дiаметру зшищ ока здiйснювався !! пошук у вiдеопотоцi, тобто вона ви-дiлялася помiж другорядних об'eктiв (¡нших частин людського ока). Зокрема, зшиця ¡стотно вiдрiзня-еться за яскравютю вiд райдужно! оболонки. Зна-чення градieнта на !! межi (окружност^ е бiльшими вiд показникiв ще! величини в райдужнiй оболонцi. Це дало змогу шукати зiницю як темний круг на свгг-лому зображены. Було застосовано бiнаризацiю (¡н-дексування зображення з палiтрою ¡з двох кольорiв) кадру, для вщокремлення темних (зiниця) та свiтлих (райдужка) частин ока. З метою покращення точ-нос^ розпiзнавання зiницi запропоновано алгоритм пошуку круга на базi теореми Фалеса стосовно пря-мокутного трикутника, вписаного в коло [6]. Ця теорема стверджуе, що ппотенуза прямокутного трикутника, який вписаний у коло, е дiаметром цього кола, а !! середина е центром кола.
Алгоритм складаеться з наступних крокiв:
1. БЫариза^я зображення (для ¡стотного вiдсi-ювання другорядних об'ек^в на зображеннi).
2. Пошук базових точок за масками (тобто вид\-лення точок, як\ потенц\йно е краями круга у р\зних чвертях).
3. Визначення центру круга та його д\аметру.
4. Для створення якомога гнучюшого програм-ного продукту, вир\шено реал\зувати його об'ектно ор\ентованою мовою програмування - С#, вико-ристовуючи середовище програмування МюговоА: У1зиа! Studio 2012 [3].
Результати досл\джень та 'Гх обговорення. У процес\ бЫаризацп початкове зображення, що мае велику ктькють р\вн\в яскравост\, перетворюеться в чорно-б\ле зображення, п\ксел\ якого мають т\льки два значення - 0 \ 1. Б\наризац\я зображення дуже важлива складова алгоритму, адже на даному етап\ проводиться под\л зображення на окрем\ зони. Зони, ¡з значенням п\ксел\в 1, можуть бути як шумами, так \ шуканою з\ницею ока. Серед ¡снуючих способ\в по-рогово! обробки зображення вибрано б\наризац\ю з подв\йним обмеженням. Цей метод б\наризацп при-ймае зони з середн\м р\внем яскравост\ п\ксел\в, як шуми та сторонн\ об'екти, а зони з високим та низь-ким р\внем яскравост\ п\ксел\в вважаються зонами в яких розмщений шуканий круг (з\ниця). Параметри бЫаризацп задае користувач, в залежност\ в\д зо-вн\шнього освгглення. Внасл\док процесу б\нариза-цп отримуеться зображення, на якому ч\тко видно де може бути розмщений шуканий круг. П\сля того, як зони, як\ потенц\йно можуть бути шуканим кругом, вид\лен\, проводиться пошук базових точок за масками (рис. 1). Вдаеться отримати чотири множини координат точок, як\ можна схематично зобразити так:
Для визначення центру круга та його д\аметру використовуеться алгоритм, побудований на тео-рем\ Фалеса. Ця теорема стверджуе, що г\потенуза прямокутного трикутника, який вписаний в коло, е д\аметром цього кола, а II середина е центром кола (рис. 2).
Таким чином, перебравши вс\ базов\ точки, отримуеться нова множина ймов\рних центр\в круга, та його д\аметр\в. При чому шуканий центр круга буде в точц\, де насичен\сть ймов\рних центр\в найбтьша.
Розроблено зручний користувацький ¡нтерфейс. Головне в\кно програми умовно под\лено на 4 области 1. Область в\дображення вщеошформаци. В верхньому правому кут\ ц\е! област\ розм\щенн\ кнопки, одна з яких призначена для виклику д\ало-гового в\кна в якому можна вибрати один вид\в по-стачальник\в в\деопотоку (камера або видеофайл). При натисканн\ на другу кнопку, користувачу нада-еться можлив\сть налаштувати параметри б\нариза-цп, директор\ю для збереження в\деопотоку, тощо. 2. Область пуп\лограми, де виводиться граф\к зм\ни розм\ру з\ниц\ ока в час\. Тут також е кнопки для збереження пуп\лограми, та налаштування II представ-лення (кол\р криво!, довжина часово! ос\, тощо). 3. Область в\дображення числових даних, де подано поточн\ числов\ показники в\дхилення ампл\туди пу-п\лограми та в\дхилення д\аметру при якому можна вважати, що б\ль - наявна. 4. Область управл\ння
1 я
ш Ш
ш
□
ш
т ■
щ
ш ■ ■■■ ■ ■■■ ■ ■■■ ■ ■■■
■■■■ ■ ■■■ ■ ■■■ ■ ■■■
ж ш ■■■■ ■■■■ ■■■■
1 ш
^ - точки множини М1 - точки множини МЗ
л ■■■■
ж - точки множини М2 :::: - точки множини М4 Рис. 1. Точки, знайден\ за масками.
Рис. 2. Приклад пошуку центра круга.
Прим\тка: В\др\зок Р1 Р2 е ппотенузою прямокутного трикутника вписаного в коло.
програмою. В н\й м\стяться кнопки «старт/пауза» - для запуску анал\зу в\деопотоку та тимчасово-го його призупинення з можливим в\дновленням. Кнопка «стоп» - для остаточно! зупинки реестрацп в\део потоку, \ збереженням його в в\деофайл при бажанн\ користувача (рис. 3).
Рис. 3. 1нтерфейс розпрацьованого програмного засобу.
Рис. 4. Проведення пуптоалгометри у стоматолопчного хворого.
Перш1 три секунди п1сля запуску анал1зу в1деопотоку в1дбу-ваеться п1драхунок середнього д1аметру з1ниц1, оск1льки в1н за-лежить в1д осв1тлення та емоц1йного стану людини. При цьому на пуп1лограм1 не вщображаеться н1яка 1нформац1я. Середн1й
д|аметр вважаеться д1аметром з1ниц| в стан1 спокою, I саме по в1дношенню до нього прораховуеться поточне в1дхилення д1аметру. Розпрацьований комп'ютерно-програмний зас1б дозволяе граф1чно ре-еструвати в умовах реального часу трива-л1сть та 1нтенсивн1сть зростання ампл1туди пуп1лограми (розширення з1ниц1) у в1дпо-в1дь на д1ю зовн1шн1х алгогенних вплив1в. Методика пуп1лоалгометрИ проводиться наступним чином: моделюеться больо-вий стрес за допомогою «турн1кетно1» проби Труссо у модифкацГ! Б1лецького О. В. шляхом механ1чно1 компресИ пнев-матичною манжеткою плеча, тиск у як|й утримуеться на 50 % вище, н1ж систол1ч-ний артер1альний упродовж 5 хвилин [2]. 1нтенсивн1сть нанесеного больового стимулу пац1ентами оц1нюеться за цифровою рейтинговою шкалою болю. Одночасно за допомогою комп'ютерно! програми проводиться реестрац1я та цифрова обробка показник1в з1ничного рефлексу. Розпра-цьована методика експрес-д1агностики вегетативно! реакцИ людини на больовий стресор усп1шно пройшла апробац1ю в умовах стоматолог1чно1 кл1н1ки на 50 до-бровольцях (рис. 4). Виявлено II високу |нформативн|сть.
Висновки. За допомогою комп'ю-терно-програмного забезпечення роз-працьовано експрес-метод д1агностики з1ничного рефлексу у в1дпов1дь на д1ю больового стресора. Шляхом граф1чно! ре-естрацГ! та цифрово! обробки отриманих даних стало можливим об'ективно оц1нити в умовах реального часу вегетативну ре-акц1ю людини на б1ль. Доступн1сть запро-понованого способу алгометрп дозволяе його застосовувати у повсякденн1й кл1н1ч-н1й практиц1.
Перспективи подальших досл1-джень. Розпрацьований експрес-метод об'ективно! оц1нки ноцицептивно! реакц11 людини може бути широко застосований для д1агностики больово! чутливост1 у сто-матолог1чних I х1рург1чних хворих п1д час проведення седативно! й антибольово! терап11, та як критер1й ефективност1 про-веденого л1кування.
5.
Л1тература
Адашинская Г. А. Многомерный вербально-цветовой болевой тест / Г. А. Адашинская, Е. Е. Мейзеров // Научно-практический журнал «Боль». - 2005. - № 1. - С. 26-33.
Б1лецький О. В. Корекц!я больового синдрому у хворих з пол1 травмою : автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. мед. наук : спец. 14. 01. 30 «Анестез1олог1я та 1нтенсивна терап1я» / О. В. Б1лецький. - Дн1пропетровськ, 2008. - 20 с. Гонсалес Р. Цифровая обработка изображений / Р. Гонсалес, Р. Вудс. - М. : Техносфера, 2005. - 1072 с. Ишинова В. А. Роль негативных эмоций при восприятии боли у пациентов с тревожно-фобическими и соматоформ-ными расстройствами : автореф. дисс. на соискание ученой степени канд. психол. наук : спец. 19. 00. 04 «Мед. психология» / В. А. Ишинова. - Санкт-Петербург, 2009. - 19 с.
Куцало А. Л. Пупиллометрия в качестве метода экспресс-диагностики наркотической интоксикации : автореф. дисс. на соискание ученой степени канд. мед. наук : спец. 19. 00. 10 « Психиатрия» / А. Л. Куцало. - Санкт-Петербург, 2004. - 20 с.
6. Литвин С. Метод Хафа в задачах розгмзнавання окружностей / C. Литвин, K. Ручюн // I М1жнародна конференц1я з автоматичного угравлшня та шформацмних технолопй ICACIT-2011: тези договщей, 15-17 грудня 2011 року, Льв1в / Мшютерство осв1ти i науки, молод1 та сгорту УкраУни, Нацюнальний ушверситет «Льв1вська голтехшка», Кафедра комг'ютеризованих систем автоматики. - Львiв : Видавництво Львiвськоi голiтехнiки, 2011. - С. 35-36.
7. Рабинович С. А. Влияние эмоционального состояния на болевую чувствительность зубов у гациентов на амбулаторном стоматологическом гриеме / С. А. Рабинович, Н. А. Демина, О. Н. Московец // Научно-грактический журнал «Боль». - 2003. - № 1. - С. 44-46.
8. Соломка С. Л. Пугиллографические гоказатели у гациентов с астеновегетативным синдромом / С. Л. Соломка, Н. Н. Бушуева // Проблеми еколопчноУ та медичноУ генетики i кшничноУ iмунологii. Збiрник наукових граць. - 2003. -Виг. 4(50). - С. 364-366.
9. Bertinotti L. The Use of Pupillometry in Joint and Connective Tissue Diseases / L. Bertinotti, U. Pietrini, A. Del Rossoх [et al.] // Ann. NY Acad. Sci. - 2002. - Vol. 966, №1. - P. 446-455.
УДК 612. 821. 2:612. 67+616. 893-053. 8
РОЗРОБКА ЕКСПРЕС-МЕТОДУ Д1АГНОСТИКИ БОЛЬОВОТ РЕАКЦП ЛЮДИНИ Мокрик O. Я., Заплатинський В. О.
Резюме. В сучаснм медицинi значна увага гридiляeться розробц об'ективних методiв дiагностики больовоУ реакци людини - алгометричним, якi враховують ii комгоненти: сенсорний, вегетативний, рухо-вий, гсихоемоцiйний. 1нформативним методом вивчення вегетативно'! реакцii е гугiлометрiя - дiагностика змiн розмiрiв зiницi ока. Перевагою гугтометри, на вiдмiну вщ бiльшостi традицiйних методiв, е не ттьки реалiзацiя об'ективно'| i ктькюно'| оцiнки функцiонального стану вегетативноi нервово'| системи (ВНС), а й можливють скринiнгового дослiдження гсихофiзiологiчного стану в умовах больового стресу. Було гостав-лено мету розробити об'ективний ексгрес-метод дiагностики больово'| реакцii людини шляхом реестрацп зiничного рефлексу за догомогою комг'ютерно-грограмного забезгечення. Для вiзуалiзацii зображення зЫиц ока в умовах реального часу використано електронний гортативний мiкроског, який гщключаеться до комг'ютера через USB Ытерфейс. За догомогою розграцьованого комг'ютерно-грограмного забезгечення стало можливим гроводити ексгрес^агностику вегетативноi реакцii людини (зшичного рефлексу) на дiю больового стресора в умовах реального часу. Методика алгометрп була агробована на 50 добро-вольцях в умовах стоматолопчно'| клинки. Виявлено ii високу iнформативнiсть. Достугнiсть загрогоновано-го об'ективного методу дiагностики болю дозволяе його застосовувати у говсякденнм кJliнiчнiй грактицк
Ключов1 слова: больова реакцiя людини, зшичний рефлекс, гугiлоалгометрiя, комг'ютерно-грограмне забезгечення.
УДК 612. 821. 2:612. 67+616. 893-053. 8
РАЗРАБОТКА ЭКСПРЕСС-МЕТОДА ДИАГНОСТИКИ БОЛЕВОЙ РЕАКЦИИ ЧЕЛОВЕКА Мокрик O. Я., Заплатинский В. О.
Резюме. В современной медицине значительное внимание уделяется разработке объективных методов диагностики болевой реакции человека - алгометричным, которые учитывают ее комгоненты: сенсорный, вегетативный, двигательный, гсихоэмоциональный. Информативным методом изучения вегетативной реакции является гугиллометрия - диагностика изменений размеров зрачка глаза. Преимуществом гугил-лометрии, в отличие от большинства традиционных методов, является не только реализация объективной и количественной оценки функционального состояния вегетативной нервной системы (ВНС), но и возможность гроведения скринингового исследования гсихофизиологического состояния в условиях болевого стресса. Была гоставлена цель разработать объективный эксгресс-метод диагностики болевой реакции человека гутем регистрации зрачкового рефлекса с гомощью комгьютерно-грограмного обесгечения. Для визуализации изображения зрачка глаза в условиях реального времени исгользован электронный гортативный микроског, который годключается к комгьютеру через USB интерфейс. С гомощью разработанного комгьютерно-грограммного обесгечения стало возможным гроводить эксгресс - диагностику вегетативной реакции человека (зрачкового рефлекса) в ответ на действие болевого стрессора в условиях реального времени. Методика алгометрии агробирована на 50 добровольцах в условиях стоматологической клиники. Она гоказала высокую информативность. Достугность гредложенного объективного метода диагностики боли гозволяет его грименять в говседневной клинической грактике.
Ключевые слова: болевая реакция человека, зрачковый рефлекс, гугиллоалгометрия, комгьютерно-грограмное обесгечение.
UDC 612. 821. 2:612. 67+616. 893-053. 8
The Development of the Rapid Method of Diagnosis of Human Reaction to Pain Mokryk O. Y., Zaplatynsky V. O.
Abstract. Introduction. The research of the human reactions to pain is a complex process. This problem is not solved completely yet. Nowadays, subjective methods of evaluating pain are being mainly used in the clinic. By nature these methods are verbal-symbolic: visual analogue, visual rank and verbal rank scales and others. However, the patients may diversely assess their feelings that arise with the appearance of pain. It largely depends on their
emotional condition. People having stress that is often accompanied by depression, anxiety, fear, oppression can't adequately assess pain: some may underestimate its influence, others tend exaggerating. This reality complicates the assessment of pain intensity, that's why much attention is paid to the development of the objective methods of its diagnosis, in particular, to those that consider sensory, motional, autonomic, and psycho-emotional components of pain.
Pupillometry (diagnosis of pupil diameter) is an informative method for studying human autonomic responses. It is known that increased activity of the sympathetic innervation causes dilated pupils, while narrowing them testifies about the increasing of parasympathetic tone. Psycho-emotional tension, fear, painful irritants cause mydriasis (Parrot-Robertson-symptom). We have chosen pupillary reflex (the most accessible object «open» for the direct noninvasive research of the central nervous system [CNS]) as the object of study. The reaction of pupils to painful aggravator is an unconditioned reflex that is not controlled by the cortex and therefore by the consciousness. At the same time, this reaction is a unique and sensitive indicator of a wide range of physiological processes dependent on the condition of sympathetic-parasympathetic balance. The advantage of pupillometry, in contradistinction to the majority of traditional methods, is in the implementation of the objective and quantitative assessment of the functional condition of the autonomic nervous system (ANS). Moreover, there is also a wide range of preferences while administering pupillometry as the screening method of investigation of psychophysiological status.
No doubt, the realization of this mode of research using adequate approaches to the quantitative evaluation of the functional condition of the ANS by registering eye dynamic parameters is actual, because it is aimed at the solution of the important task of clinical medicine - estimation of the individual peculiarities of the condition of the regulatory processes of human body in the circs of painful stress.
Considering the above, we set the goal to work out the objective rapid method of diagnosis of human reaction to pain by registering pupillary reflex via computer software.
Materials and methods of research. 30 volunteers participated in the experiment. The reactions of the autonomic nervous system (ANS) to painful stress were explored in those people. The stress was modeled with the help of Trousseau's test modified by A. V Beletsky (2005). Pneumatic cuff was put on the shoulder, the pressure in the cuff was being increased and maintained 50 % more, than systolic blood pressure, during 5 minutes. While the incentive of pain was being brought in, the patients were evaluating their feels by numeric rating scale of pain. Simultaneously, we were observing the dynamics of enlargement of the pupil by calculating its diameter, velocity and duration of this process. We have used portable electronic microscope Sigeta Gam - 01 (Taiwan) to get video stream with the image of the eye in a real-time. The device was connected to the laptop through USB.
Video series fixed by the microscope consist of the sequence of frames with the effigy of the eye. The frames arrive with the frequency of 2° Cadres per second that allows to measure diameter of the pupil every 500ms (0,5s).
The pupil stands out among the other parts of the human eye on the images of the video stream that helps to gauge its diameter. In particular, the pupil differs substantially from the iris in brightness, namely the gradient value on the circumference (the border of the pupil) is greater than the gradient value of the iris. This peculiarity allowed to search the pupil as the dark circle on the effigy. We have applied the binarization of the frame to dissever the black (the pupil) and the light (the iris) parts of the eye. In order to improve the accuracy of the identification of the pupil we have worked out the algorithm of the searching of the gyre on the basis of Thales' theorem. This theorem affirms that the hypotenuse of a right triangle inscribed in a circle is the diameter of the circle and the midpoint of the hypotenuse is the center of the circle. The algorithm consists of the following steps:
The binarization of the image (to separate the secondary objects from the main one on the effigy).
The search of the basic dots by masks (namely, the allotment of the points that are potentially the edges of the gyre in the sundry quarters).
The determination of circle's center and diameter.
We have made the decision to choose object oriented programming language - C # to create versatile software.
The convenient user interface was elaborated by programming environment - Microsoft Visual Studio 2012.
Results of the research. Computer software tool that graphically records the duration and the intensity of the amplitude's growth of the pupillogram (mydriasis) under the influence of external factors has been worked out by means of mathematical processing of the video images of the pupil. This software tool was used to develop the modes of pupillometry. The developed rapid method of diagnosis of autonomic human response to pain stressor has successfully undergone approbation in the dental clinic that gave us a lot of beneficial information.
Conclusion. The developed rapid method of the objective evaluation of the nociceptive human response can be widely applied to diagnose pain.
Key words: human reaction to pain, pupillary reflex, pupilloalgometry, computer software.
Рецензент - проф. Кочина M. Л.
Стаття надшшла 1. 02. 2014 р.
